多级复合芯结构的强化沸腾传热研究

采用固相烧结技术制备了均匀多孔层、复合16芯和复合32芯三种多孔结构,并且建立了池沸腾传热测试系统来研究不同芯数量、粒径与结构高度对多孔结构沸腾传热性能的影响。实验结果表明,在测试范围内复合层高1 mm的多孔复合32芯结构传热性能较强,临界热通量(CHF)最高为386 W/cm²,传热系数最高达到9.5 W/(cm²·K)。同时利用高速摄影观察气泡行为来研究强化沸腾传热机理。可视化数据表明,相比于光滑表面,在高热通量下多孔复合表面上气泡周期更短,脱离更快,气泡的离开带来了更多的液体补充,进而不断提升传热性能,获得更高的CHF值。     

单晶硅表面池沸腾可视化测量及数据分析

针对核态沸腾过程,利用高速摄像机和红外热成像设备对光滑、微坑、均匀微柱和槽型微柱四种不同单晶硅表面的沸腾现象进行了在线可视观测,获得了各表面气泡动力学演变过程及局部温度演变规律,揭露了基于动力学过程的沸腾强化机理。由沸腾曲线可知,光滑硅表面,沸腾起始过热度为6℃,而三种微结构表面,起沸过热度为3～4℃;同时,微坑、槽型微柱和均匀微柱表面核态沸腾的CHF较光滑表面分别提高了109%、129%和140%。动力学演变过程则证明了微坑的存在为核化沸腾提供了核化点,有效降低了核化能垒、缩短了壁面蓄能阶段的时长。微柱的存在大幅度增加了气泡核化密度,减小了脱离直径,缩短了脱离时间,促进了沸腾表面温度的均匀化。     

单晶硅表面池沸腾可视化测量及数据分析

针对核态沸腾过程,利用高速摄像机和红外热成像设备对光滑、微坑、均匀微柱和槽型微柱四种不同单晶硅表面的沸腾现象进行了在线可视观测,获得了各表面气泡动力学演变过程及局部温度演变规律,揭露了基于动力学过程的沸腾强化机理。由沸腾曲线可知,光滑硅表面,沸腾起始过热度为6℃,而三种微结构表面,起沸过热度为3～4℃;同时,微坑、槽型微柱和均匀微柱表面核态沸腾的CHF较光滑表面分别提高了109%、129%和140%。动力学演变过程则证明了微坑的存在为核化沸腾提供了核化点,有效降低了核化能垒、缩短了壁面蓄能阶段的时长。微柱的存在大幅度增加了气泡核化密度,减小了脱离直径,缩短了脱离时间,促进了沸腾表面温度的均匀化。     

超亲/疏水性表面池沸腾传热研究

为研究超亲/疏水性表面对沸腾传热的影响,用H₂O₂氧化的方式制备了超亲水表面,用氨水加高分子修饰的方式制备了超疏水表面。在常压下以蒸馏水为工质,采用高速摄影仪对其进行了池沸腾传热实验。结果表明,超疏水表面亲气疏水,在沸腾起始点易于产生气泡,且气泡不易脱离,此时壁面过热度ΔTs仅为2.4K,但随热流密度的增大,气泡易于聚合,所产生的大气泡阻碍了传热的进行,传热开始恶化,临界热流密度（CHF）较低;而H₂O₂氧化的表面由于刀片状微纳结构的存在,增加了表面的粗糙度,不仅增大了相变传热表面积、增加了核化点数量,而且具有超亲水特性,气泡脱离频率较大,大大强化了沸腾传热,最大换热系数约是光表面的1.7倍,且相应地提高了CHF,可达131.0W/cm²,表现出较好的传热特性。     

梯形微槽道表面池沸腾换热性能研究

池沸腾换热表面的结构对其沸腾换热性能具有重要影响。为了进一步强化在较低表面过热度时池沸腾换热的性能,提出了新型梯形微槽道池沸腾换热表面,采用可视化实验方法研究了饱和温度下去离子水在该表面的池沸腾换热性能。结果表明：与光滑平面相比,梯形微槽道表面可以降低起始沸腾表面过热度;在相同表面过热度时,随着下底长度的增大、下底角角度的减小,梯形微槽道表面的热通量增加,换热能力增强。下底长度为1.2 mm、下底角度为45°的梯形微槽道表面具有最低的起始沸腾表面过热度（1.4 K）;在表面过热度为8.3 K时,其热通量能达到1.2×10⁶ W·m^-2,为相同表面过热度时光滑表面的24.0倍。较大的下底长度和较小的下底角角度有利于增强梯形微槽道表面的池沸腾换热性能。     

材料交错分布型传热板表面异态干涉沸腾传热特性研究

异态干涉沸腾,即不同沸腾强度或者不同沸腾模式（核态、膜态）之间相互干涉,被证实可以提升微小间隙内沸腾传热临界热通量。该现象是在填充了低热导率材料的传热块表面发生的。低热导率材料（PTFE）交错分布结构能够增加不同材料交界面的密度且增强不同沸腾强度或者不同沸腾模式的相互干涉,故被应用于提升微小间隙内的沸腾传热特性。实验结果表明：与均匀传热板和PTFE平行分布传热板相比,PTFE交错分布传热板表面的沸腾传热性能显著提升。材料宽度和间隙尺寸对非均匀板表面的沸腾CHF产生明显影响,随着间隙尺寸的增加,CHF呈上升趋势且最大CHF对应的材料宽度减小。在最优的材料宽度和间隙尺寸的组合下,最大的临界热通量可达到1140 kW/m²且最高的CHF提升比例为84%。     

沉积时间和电流对多孔表面沸腾特性的影响

多孔表面是提高沸腾传热性能的有效表面改性技术。为探究多孔表面的制备参数对沸腾传热性能的影响，应用电化学沉积法在不同的沉积时间和电流下制备了多孔表面，并在常压下对去离子水进行了池沸腾实验。与普通表面相比，多孔表面显著提高了沸腾传热性能。最大临界热流密度(CHF)和最高传热系数(HTC)分别达到3.00 MW/m²和136 kW/(m²·K),比光滑表面分别提升了145%和156%。CHF和HTC对多孔表面的增强归因于气化核心数量增加、传热面积的增加和毛细芯吸力的增强。     

常/微重力下微结构表面强化沸腾换热研究进展

表面改性是提高沸腾换热性能的重要手段。本文以自主开发的微结构表面为基础，简述了近三年来常重力条件下的微/纳结构表面强化池沸腾换热、临界热流密度预测模型及经验关联、微重力条件下（重力水平为10^-2～10^-3 g ₀，g ₀=9.8m/s²）加热面尺寸对沸腾换热的影响和气泡动力学等方面的研究进展。对柱状微结构参数和排布方式进行优化后的多尺度复合微结构表面相比柱状微结构表面和光滑表面，其壁面温度可分别降低8K和30K以上，而临界热流密度（CHF）则分别提高了28%和119%以上。体积分数为0.02%的乙醇/银纳米流体相对于单纯的乙醇工质，相同条件下换热壁面温度可降低8～15K，而机械作用对CHF约有25%的提高。通过对柱状微结构的几何参数以及临界发生时的供液机理研究，建立了考虑柱状微结构参数的CHF关联式、微/纳结构表面考虑液体毛细芯吸作用的CHF预测模型以及考虑液体铺展速度的CHF预测关联式。根据微重力下加热面尺寸对沸腾的影响的研究，提出了基于恒定热流密度的换热预测关联式。考虑微重力条件下主气泡和小气泡的表面张力，对传统的气泡脱离直径预测的力平衡模型进行了改进，进一步提高了微重力下气泡的脱离半径的预测精度。此外，对近年来以FC-72为工质的其他强化池沸腾换热微结构表面的研究成果进行了总结，并与自主研发的微结构表面换热性能进行了对比与分析，为今后的研究方向和应用指出了方向。     

电场作用下沸腾气泡行为实验

为了进一步探讨电场对沸腾传热强化机理,以水为实验工质,实验研究了电场作用下沸腾单个气泡的行为特性。通过直接加热法产生单个沸腾气泡,并利用高速摄像机拍摄观察了不同热流密度和电场强度组合工况下气泡的生长过程,并对该过程中对电场作用下气泡的脱离形态、周期和长径比等行为特性变化进行了相关定性分析,根据实验结果和相关定性分析,进一步合理阐释了电水动力学强化沸腾传热机理。结果表明:外加电场工况后,电场对沸腾气泡的脱离形态有显著的影响,气泡沿场强方向拉伸变形且场强越大,拉伸变形越明显;气泡的脱离长径比随着电场强度和热流密度的增大而变大;气泡的脱离周期随着电场强度和热流密度的增大而减小。这表明电场和热场协同作用有助于减小气泡的停留时间来减小热源于流体之间的热阻,进一步说明电场和热场对沸腾强化传热有一定的影响。     

槽道表面沸腾强化传热机理研究

本文以不定常传热理论为基础,对槽道表面沸腾传热进行了理论分析研究。分析了气泡的生长规律,建立了气泡壁面微层液膜的流动和传热的物理和数学模型,并与气泡顶部液体的不定常传热联系起来,得到了气泡生长和传热关系式。并且由几个约束性条件,对槽道的几何尺寸进行了判定,提出了适用的槽深和槽宽的变化范围,可供设计时参考。利用本文的关系式,对水蒸气和氟致冷剂(CFC)进行了数值计算,并与实验结果进行比较,两者基本一致。     

Al2O3纳米流体沸腾传热临界热流密度影响因素研究进展

随着电子设备热负荷的逐渐增加,纳米流体沸腾传热作为一种新型强化换热方式,受到越来越多的关注。本文主要综述了近年来关于纳米流体沸腾传热临界热流密度(CHF)的相关研究,并聚焦Al_2O_3纳米流体,归纳了各种因素对沸腾传热CHF的影响,分析了它们强化或弱化CHF的原因,得到了它们对CHF影响的一般规律。结果表明:纳米颗粒的添加可以有效提升CHF;随着纳米颗粒浓度的升高,CHF的变化存在增大、先增大后基本不变、先增大后降低等情形;微通道能够有效提升CHF,但通道尺寸较小时,CHF随尺寸的增大而增大;加热壁面越光滑CHF越低。此外,还概述了壁面倾斜角、壁面润湿性、工作压力以及外场(电场、磁场、重力场、超声波)等因素对CHF的影响。最后,指明了纳米流体沸腾传热CHF的发展方向并展望了其在机载环境下的应用前景。     

氧化石墨烯表面的饱和池沸腾强化传热实验

利用氧化石墨烯（GO）纳米片沸腾自组装法（self-assembly）制备出GO纳米表面,以蒸馏水为液体工质,对常压下GO纳米表面和光滑铜平面的饱和池沸腾换热特性进行了对比实验研究,并用高速摄像机拍摄了汽泡的动态行为。结果表明,GO纳米表面降低了换热壁面的过热度,其临界热流密度（CHF）和换热系数（HTC）分别达到了208W/cm²和7.25W/(cm²?K),较光滑铜平面分别提高了66.4%和86.9%。分析认为,是铜基底表面沉积的润湿性优异的高导热二维GO层状结构促使了CHF提高。汽泡可视化观察发现,相比于光滑铜平面,较低热流密度时,相同热流下GO纳米表面上汽泡脱离直径较小,脱离频率较高,汽化核心增多;较高热流密度时,光滑铜平面汽泡合并现象更严重,即GO纳米表面能延缓导致CHF产生的表面蒸汽膜的出现。     

纳米结构表面液体沸腾传热的分子动力学模拟

为了从纳米尺度了解表面结构和润湿性对池沸腾液体与固体壁面的传热性能,本文采用分子动力学方法研究了超亲水至超疏水不同润湿性的液体氩在光滑表面和含凹、凸半球纳米结构表面的沸腾传热过程,分析了三种表面上液氩在受热过程的形态、温度、热流密度等相关参数的变化情况。结果表明,液氩层沸腾过程大致可分为液氩层吸附于固体表面和液氩层从壁面脱离两个加热阶段,当液氩层吸附于固体表面时,温度升高、热流密度及气态氩原子产生速度均大于液氩层脱离壁面时的情况,在这两个阶段亲水表面上氩原子温度变化有明显的拐点,而疏水表面在两个阶段加热过程相差不大。亲水表面上的微结构能吸附更多液氩原子,促进了气泡产生及加速温度、热流密度的变化,而在疏水及超疏水微结构表面,微纳结构与液氩间的气膜层促进了气泡产生,计算结果为池沸腾传热及微结构选择提供了理论依据。     

多孔泡沫吸气板调控沸腾气泡动力学实验研究

利用不同的改性方法对多孔泡沫铜表面进行浸润性改性处理,并制备了一系列具有不同疏水性的吸气板,系统研究了悬挂吸气板对沸腾单气泡生长、脱离阶段的影响。结果表明,不同吸气高度和吸气浸润性均对沸腾气泡动力学特性具有重要影响。当吸气高度小于气泡最大生长高度时,吸气板可实现强制气泡脱离并有效减小气泡最大脱离直径。当吸气板表面浸润角为150°时,吸气效果最佳,最短可将脱离阶段缩短至3 ms,最大瞬时吸气速率可达5.46 mm³/ms,为浸润角是100°吸气板吸气速率的3.96倍。耦合控制吸气板的吸气高度、浸润性和换热表面的微结构可共同实现对气泡生长阶段的提前干预和对脱离阶段的强制促进,真正实现沸腾动力学的全程强化。     

基于可视化试验的板翅通道内过冷沸腾汽泡行为分析

以水为介质,对板翅式换热器的2种变截面翅片:横排锯齿翅片(TDS)和三角多孔翅片(TP)通道内的强制对流过冷沸腾现象进行了可视化研究。分析了过冷度对汽化核心数的影响;热流密度、体积流量和过冷度对汽泡脱离直径的影响。通过观察强制对流过冷沸腾流型揭示了变截面翅片通道内的沸腾强化传热机理。研究结果表明:2种流道内过冷沸腾流型类似,分为气泡形成区、发展区和消失区;变截面流道气泡平均脱离直径随着体积流量和过冷度的增加而减小,随着热流密度的提高而增大;在相同工况下,TP流道形成的汽化核心数量多于TDS流道;TDS流道的气泡平均脱离直径比TP流道高约1.4倍。     

高压高过冷度下过冷流动沸腾数值模拟

采用双流体模型对高压高过冷度下垂直圆管中水的过冷流动沸腾进行了数值模拟。通过对比不同气泡直径模型,揭示了气泡直径对于壁面传热方式的影响,确定了适合高压工况的气泡直径模型。考察了压力及壁面热通量对流动及传热特性的影响。计算结果表明,压力增加气泡脱离直径减小,单相对流传热所占比例增加,表面传热系数减小。高压高过冷度特征决定了气泡相分布极不均匀,随着热通量的增加,壁面附近容易形成气泡的密集,对过冷流动沸腾中的传热特性有重要影响。     

火焰喷涂型多孔表面制备及其池沸腾实验研究

采用氧-乙炔火焰喷涂金属粉末工艺在不锈钢基板表面制备不锈钢基多孔层,用于强化高功率电子器件沸腾水冷。研究了喷涂火焰功率对多孔层结构的影响,制备的多孔层孔隙率最高可达48.7%。建立了池沸腾实验系统,对比测试了光滑表面和多孔层修饰表面(多孔表面)在去离子水中的饱和池沸腾传热性能;并采用高速摄像机对沸腾现象进行可视化研究。结果表明:多孔表面起始沸腾过热度较光滑表面可降低1.4—2.7 K;多孔表面可显著强化沸腾传热,且强化效果随多孔层孔隙率的增大而增强,多孔表面最高传热系数为50.1 k W/(m~2·K),最高临界热流密度(CHF)为1 596.1 kW/m~2,分别比光滑表面提高了60%和30%;多孔表面汽化核心数量多,且脱离气泡不易汇聚,故表现出较好的沸腾传热特性。研究结果为该类型多孔表面用于电子冷却强化提供了一定依据。     

电场作用下氮气泡行为的数值模拟和实验研究

为了探讨电水动力学强化沸腾传热机理,以水为实验工质,通过数值计算和实验观察相结合的方法,系统研究了冷态氮气泡在电场作用下的行为特性;并计算了直流电压10 kV工况下,气泡周围电场强度分布、气泡脱离周期和气泡脱离时刻瞬时速度场。结果表明:场强越大,气泡伸长变形越明显,脱离周期越短;电场强度沿着气泡轮廓方向逐步对称减小;气泡脱离时刻的速度随着电场强度的增大而增大且速度极大值处在气泡的底部。     

微槽道内饱和沸腾传热试验及其动力学分析

以去离子水为工质,在高为2mm,宽分别为0.3,0.6,2mm的铝制矩形槽道内进行了饱和沸腾换热试验。试验结果表明,去离子水在微尺度条件下其换热特性优于常规尺寸。且随着槽道尺寸减小,其换热能力逐渐增强。最后对0.6mm×2mm的矩形微槽进行试验,获得了压差随时间波动图。对该序列进行Lyapunov指数计算,结果表明,系统出现了混沌,表明微尺度的传热性能与系统的混沌特征有一定的关系。     

水平横槽纹管内氨沸腾换热及压降特性实验研究

对水平横槽纹管内氨沸腾换热及其压降特性进行了实验研究，获得了不同热流密度、不同质量流速和不同局部蒸汽干度下沸腾换热和压降的实验数据。实验结果表明，在本实验的参数范围内，与光滑管相比，横槽纹管在压降增加不大的情况下可使管内沸腾换热系数提高３０％～１５０％，横槽纹管的节距减小对传热强化的作用明显，而对槽深的影响不大。还给出了横槽纹管内氨局部沸腾换热和压降的无因次准则关系式。